Controle da locomoção assistida de cadeiras de rodas manuais por meio do controle de impedância:análise via controle ótimo

Abstract

A movimentação assistida é um tópico crescente no ramo de pesquisa devido ao envelhecimento geral da população mundial e crescente número de pessoas com deficiências motoras. Dentre as soluções no leque de opções, a cadeira de rodas é o meio mais escolhido, principalmente por sua versatilidade e manuseabilidade porém, esta possui rendimento energético baixo que pode trazer problemas de fadiga e distensões nos músculos dos membros superiores. Por esse problema, é crescente a pesquisa em sistemas "híbridos"onde o paciente ainda precisa usar de sua força física com o auxílio de um aparato eletro-mecânico para reduzir o esforço físico e evitar lesões, mantendo sua versatilidade e manuseabilidade que dispositivos totalmente automáticos comumente não tem. A interação entre pessoa e máquina presente nesse tipo de sistema deve ser feita com precaução a fim de evitar impor esforços físicos no operador que podem causar lesões. Uma das formas mais comuns estudadas na literatura científica de obter essa interação é a criação de uma resistência mecânica virtual no sistema pessoa + assistência criando uma relação entre forças e velocidades. A está forma de comando é dado o nome controle de impedância . O controle de impedância consiste em fixar a relação entre forças aplicadas com a cinemática de resposta do sistema dinâmico controlado de forma a agir conforme um modelo dinâmico de referência especificado. Nesta pesquisa pretende-se investigar como um sistema por controle de impedância pode ser aplicado a uma cadeira de rodas motorizada para assistência na locomoção longitudinal e sua avaliação através de controle ótimo. A dissertação envolverá a definição e projeto do controle de impedância e os métodos utilizados de controle ótimo para avaliar os esforços da pessoa em comparação a cadeira de rodas manual.

Assisted mobility is a growing topic in the research branch due to global aging and the increasing number of people with disabilities. In the range of options for people with disability in the lower limbs, the wheelchair is one of the most populars means of assistance, mainly due to its versatility and handling. However, it has a low efficient propulsion, which could bring problems of fatigue and muscle strains in the upper limbs. Because of this problem, research into hybrid systems is becoming common. In this kind of system, the patient still needs to use his physical strength but, is aided by an electro-mechanical device to reduce physical effort and avoid injury, while maintaining its versatility and handling that fully automatic devices usually doesn t have. The interaction between men and machine present in this type of system should be made with caution in order to avoid imposing excessive physical efforts on the operator. One of the most common ways in the scientific literature to obtain this interaction is to create a virtual resistance in the person + assistance system by creating a relationship between forces and velocities. To this kind of control is given the name impedance control . The impedance control consists in fixing the relation between external forces with the kinematics of the controlled dynamic system in order to act according to a specified dynamic model of reference This research intends to propose an impedance control applied to a motorized wheelchair for assistance in longitudinal propulsion and an evaluation through optimal control. The dissertation will involve the definition and design of the impedance control and the optimal control formulation used to evaluate the efforts of the person compared to manual wheelchair.